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五金冲压模具“十三五”发展纲要连载二

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四、十三五期间的五金冲压模具发展与需求分析

2014年我国汽车销量超过2300万辆,成为全球最大的汽车市场,未来5年将会继续领跑世界汽车市场。因此,今后5年我国汽车冲压件市场也会同步发展,不仅是生产规模的做大,更是制造能力的做强。与汽车冲压件相比,我国的电机制造、拖拉机和工程机械制造等行业用五金冲压件也将有巨大的发展,适合于精冲、精密高速冲的产品将有很大的增加。特别需要强调的是配套于电子电器、移动信息和家用电器等行业的中小型五金冲压件市场仍然具有一定的潜力。东莞市长东模具有限公司专业从事五金冲压模具设计、制造,及冲压加工生产为一体的五金模具厂。五金冲压加工的冲床范围从45吨到800吨,能独立自主开发设计制作4米以内的冲压模具。

冲压加工向自动化,数字化和智能化方向发展是必然趋势。高速高效及组合冲、多功能及智能模具也是发展的方向。厚板精冲、铝板及复合材料冲压、模内组装、纳米级薄板冲压等都有许多课题可以研究。冲压在线监测、仿真与虚拟技术的应用、信息化的应用等等都有较好的发展前景。

未来发展趋势中,国外市场份额将不断扩大,并且国内企业在国际高端冲压领域市场份额也将不断扩大。可以预计到2020年中国将成为世界上热冲压产能最大的国家。到2020年中国将完全具备热成形整线开发能力。针对冲压行业的高度集成的数字化管理系统开始在行业应用,将逐渐实现数字化设计与制造,工作效率和管理水平也将大幅度提高。

目前,全球的热冲压生产线已超过300条,年产热冲压构件超过4.5亿件。但是,大部分热冲压生产线和产品分布在欧洲和美国,我国只有50条生产线。在生产汽车板的钢铁企业中,只有宝钢建起了热成形板料生产线,武钢建起了一条试验研究用热成形机组。沃尔沃(Volvo)预计今后汽车车身内40%重量的构件可以采用热冲压成形。2014年我国乘用车销售1970.06万辆,占汽车总销量83.8%。预计10年以后至2025年,我国每年将需要热冲压成形汽车构件400万吨,约1.6亿件-2亿件,至少相当于130-150条热冲压成形机组生产线的年产量。因此,超高强度钢汽车构件的热冲压成形设备的开发与制造,是我国冲压行业今后十年内的重要发展方向之一。

超高强钢和热成形用淬硬性高强钢方面,需要研究抗拉强度更加高,冲压性能更加好的材料。先进热成形处理AHFT新工艺,用以制造超高强塑性汽车构件(强塑积PSE≥15~30GPa%)。热成形超高强度构件的伸长率和强塑性得到显著改善和提高,进一步拓展热成形构件的强塑性级别和汽车构件的应用种类。在铝板成形方面进行研究,开发出适合外板成形的低回弹铝合金板材有巨大潜力。

除汽车领域以外、造船以及军工领域对高强度钢板冲压的需求在急剧增加;在航空、航天、建筑等小批量、个性化制造中,对柔性成形技术的需求将在不断增加。如渐进成形的特种冲压成形也将存在一定的市场。未来几年,中小型冲压件全自动生产线会有较好的市场。电子电器、家用电器和信息产业用五金冲压件需求将处于国际领先地位。

切实支持开展冲压新技术特别是基础理论与应用技术研究,如开展针对热成形模具热流道仿真技术研究,研究模具在线快速修复技术,研究镶块的环保涂层技术;开发针对冲压行业的数字化管理系统研究。同时也要开展冲压设备主要零件基础材料、热处理工艺的研究等。

在人才方面,要注意培养冲压产品同步开发人才,冲压工艺设计人才,冲压虚拟制造(CAE模拟分析等)人才,冲压生产线自动化(PLS模拟分析等)设计、规划、制造和管理人才,冲压模具设计、制造、调试人才,冲压设备研究开发人员,质量管理人才,生产管理人才。在人才方面,国家不应把人才专业进行概括评定,而应在产业中进行细化,在教育进行综合。从而实现素质教育,差异化就业而增加人才的凝聚力。

十三五期间,需要开发或推广减重、节材方面的设计软件。开发适用于冲压特性的伺服驱动技术;以及冲压生产自动化设备与技术。在冲压生产方面,急需要解决在工艺时间不可缩短的情况下,如何减少工件的中间定位、输送传递和工模具更换时间技术难题。

五金冲压材料成形、拉深性能基础研究应得到加强,特别是材料应力应变曲线的数字化研究具有重要的现实意义。厚板精冲要在理论上总结提高,要把现实排气系统连接法兰的厚板精冲提升到理论的高度,总结现状,指出不足,提出方向,延伸应用。依据目前行业发展的形势看,国内精冲、精密高速冲,以及渐进成形等技术和设备仍然有巨大的发展空间。

2016-2020年,冲压行业在技术与市场发展方面将会有一个大的飞跃。其中模具设计制造技术正在向以计算机前的操作逐步代替现场操作,以高精度加工代替人的手工劳动,冲压模具的设计、制造高度标准化。单件生产方式向流水线式生产方式发展等。国外先进的大型外覆盖件模具企业在汽车模具制作的很多方面与国内企业大不相同,值得我们很好的借鉴。其中消灭钳工是一种目标,主要是指极大地减少或完全避免修磨和调整钳工(装配钳工还是要的)。目前国外已基本实现这一目标,除修磨拉延面和拉延凸圆角外,推磨、修模和调配钳修已大部分属于异常或弥补设计和制造的缺陷,不再是一件必要的和正常的工作。

十三五期间或未来一段时间内,我国将需要研究开发和扩大使用满足高成形性能的轻量化新型材料,如:碳纤维、复合材料等;需要自主研发精密、复杂的冲压模具,特别是应用于高强度钢板冷冲压模具材料的研究将得到重视。一定会开展热轧钢板黑皮钢技术的研究,以及热成形钢板技术的研究。为提高材料利用率,激光焊接的板料应用会不断增加。具有高度柔性和适应及时生产要求的冲压设备将应用到冲压行业中,其中包括大型伺服压机、热成形技术和内高压成形装备和技术等。

十三五期间,还需要开展变截面三维辊压(渐进或滚压)技术的研究,满足于单件低成本开发的需求;自动化生产将逐步替代手动生产方式,级进生产,多工位生产和国产高速大吨位冲床将在企业中得到广泛应用。

十三五期间,需要开展超高强汽车构件用钢板的开发与生产,进行三种强塑性级别的超高强塑性汽车构件UHSDAP用钢的化学成分设计、生产工艺流程、关键工艺技术参数和组织性能控制研究。开展实验室试验和现场工业试制。开发和完善短流程CSP热轧超薄带酸洗板的开发与生产,进行钢板和构件的性能质量检验分析。开展铁素体-残奥F-TRIP型、贝氏体-残奥B-TRIP型、马氏体-残奥M-TRIP型(即Q-P钢)的UHSDAP构件的短流程-深加工技术研究等。在这一基础上,需要进行超高强塑性汽车构件UHSDAP的先进热成形处理AHFT工艺与设备开发。

先进热成形处理AHFT工艺对不同类型TRIP钢板的组织和性能的影响有待进一步探讨。需要认真研究热成形淬火HF+贝氏体等温处理ATAustempering Treatment)工艺,以及热成形淬火HF+碳分配等温处理PTPartitioning Treatment)工艺。

十三五期间,需要加强研制开发热冲压后续工艺的新型低温热处理炉,可以分别对热成形-淬火后的构件进行贝氏体等温处理(Austempering)、碳分配处理(Partitioning)或者回火处理(Tempering)。同时需要开发与之配套的工艺控制软件。十三五期间,仍需要对热冲压成形-淬火工艺进行相应的改进,对加热炉、模具水冷淬火系统、冷却速度与终冷温度控制方式,以及构件传送系统等进行开发和完善。特别需要强调的是,需要继续对先进热成形处理AHFT机组的研制。

今后5年,柔性成形技术将向大型化、精密化、高速化及连续化方向发展。大型化采用柔性成形技术加工的工件尺寸越大,其优越性越突出。随着柔性成形技术的推广与普及,设备的一次成形尺寸也在逐渐变大。2020年之前,会出现一次成形面积超过10m2的柔性成形设备。目前,精密化已经能够用厚度为0.5mm甚至0.3mm的板料成形曲面类工件,而且能够成形如人脸那样比较复杂的曲面。随着柔性成形技术的逐渐成熟,将向精细化方面发展,其成形精度也将得到更大提高。高速化及连续化,采用辊压柔性成形技术可以实现工件的高效、连续柔性成形,从而实现小批量、个性化制造的高速化与连续化,到2020年可以达到一台柔性成形设备每天加工300m2曲面工件的生产效率。

精冲、精锻是并行发展的两项先进制造技术,精冲件太厚即需要精锻,精锻件太薄就必须精冲,两者相互关联,关系密切。开发精锻+精冲复合工艺的基本思路是找到这两项工艺的结合点(如带轮毂的齿轮零件和带短轴的凸轮零件),而我国的精锻有长久的历史,水平已经很高,以此为方向来提升我国精冲技术的整体水平是一条很好的途径。精冲当前的主要内容是不断解决材料、设备、模具、工艺和市场开拓方面存在的问题。在材料方面欧洲已经发展起来了细晶粒高强度精冲专用钢板,中国将会有个别企业从事研究开发,投放市场。在材料上,经过二次加工的精冲用钢品种将会逐步增加,用户选择余地也将越来越大。精冲设备要以日欧设备为榜样继续加强国产化,提升水平;冲压模具寿命和冲压模具结构将一直是行业关注的焦点,这方面的研究需要深入和持久地进行。多工位连续加工精冲工艺将普遍采用,这将提高效率和降低人工成本;纵向复合工艺会在部分产品上得到应用;未来中国精冲行业的市场必须坚持立足国内走向欧美日的战略定位。

高速精密冲模具技术需要研究关键设计内涵和技术以及制造工艺中的基础技术、理论,掌握模具核心技术。冲压模具的基础零部件和配套件是模具整体快速发展的基本条件,而中国由于热处理、材料和标准件等模具基础零部件和配套技术及质量水平较低,高档模具制造严重受约束。

随着新工艺新产品的不断涌现,国外精冲模具已经从常规的单副级进模向多功能组合冲压模具、生产线配套组合模具工装、特大型级进模以及微细零件冲压模具等方向发展。高速精密冲模具越来越复杂,集合了模内激光焊接、模内铆接和二次注塑成形技术。特别值得提到是,3D打印技术对模具制造业将产生影响。随着电子工业的发展,小型电子零件的需求日趋高涨,促进了高精度、高效率的高速压力机的发展。目前日本及欧美已成为高速压力机技术的领头羊,在100KN压力、8mm冲程下,滑块速度可达4000/分。

整体而言,中国冲压模具技术与装备将会向国际先进水平跟进,与国际先进水平仍将保持一定的差距,装备制造业需要一定时间的积累。冲压行业的设备大部分仍以国产设备为主,但是进口设备将会逐渐增多,占据着高端市场。依据目前可以预见的条件看,冲压设备市场将会保持一定的增长,尤其是汽车、电子电器和其它新型行业相关的设备增长将尤为明显。冲压设备将毫无疑问地向大型化、高速化、精密化、自动化、数字化和信息化方向发展。其中大型高速紧凑型机械压力机生产线和多工位压力机,配备专用和高效的板料传输技术和快速换模装置为重要的发展方向。随着伺服驱动技术的发展,伺服压力机逐渐被汽车厂家接受,成为新建项目的首选设备。高性能交流电动机伺服系统代表了当前伺服驱动系统的发展方向。国内研究机构未来要加大高精度的伺服控制技术研究,引导国内机床行业的机床控制技术的升级,缩短与国际先进技术的差距。建议十三五期间,冲压设备应重点研发高速机械伺服压力机生产线和液压机械混合伺服压力机(液压驱动,机械传动)摆脱国外对大扭矩、低转速伺服电机的限制。研发数控液压垫技术,打破国外垄断。研发大型多工位伺服压力机,以及先进的能量管理系统技术。

十三五期间,在攻克伺服压力机部件时,要重点攻克高速重载滑动丝杠制造工艺,目前该技术为日本等先进企业所垄断。如能顺利实现国产化,将推动国产伺服压力机(丝杠+多连杆结构)的快速发展。重点攻克高速重载滑动轴承,需要研究高转速下滑动轴承的动力学特性(包括材料及制造工艺),如能获得突破,国产高速压力机精度和性能会进一步提升,达到欧美先进水平。还要攻克非圆齿轮磨削设备,采用非圆齿轮传动可以实现多连杆的某些特性。但制造设备依赖进口,而且至多只能采购在6级精度以下设备,伺服压力机研制所需的驱动器也需要进口,国产伺服电机的稳定性和可靠性需要进行研究论证。

为了满足个性化的冲压成形生产需求,不断衍生出多种专用、高效的压力成形设备和装置。如内高压成形、板材充液成形、热成形等;由于专业化生产对提高质量、降低成本具有重大意义,随着冲压设备的发展,冲压行业将对专业化生产要求越来越高。

由于液压机能够快速调整,适合中、小批量零件的生产,液压机系统对压力、行程速度单独调整后,实现了对复杂工件以及不对称工件的加工,降低了废品率,还适合于难成形以及高强度的材料,这也是未来冲压发展的一条主要技术路线。

在冲压模具技术方面,需要继续提升信息化、标准化水平。必须用信息化技术装备模具企业,发展重点在于大力推广CAD/CAM/CAE一体化技术,特别是成形过程的计算机模拟分析和优化技术(CAE)。加速我国五金模具标准化进程,提高精度和互换率。

为适应市场对五金冲压模具制造的短交货期,高精密、低成本的迫切要求,未来我国的五金模具将呈现几大发展趋势:一方面是由于用五金模具生产的零件日渐大型化;另一方面也是由于高生产率要求而发展多工位冲压模具。冲压模具的精度要求越来越高。随着零件微型化及精度要求的提高,有些模具的加工精度要求在1µm以内;超精密加工已进入纳米(0.1µm~100nm)级精度阶段。

挤压模及粉末成形模需求将会增多。由于汽车、车辆和电机等产品向轻量化方向发展,以铝代钢,以及高分子材料、复合材料、工程陶瓷和超硬材料的成形加工技术需要加快发展;由于新型材料的采用不仅能改变产品结构和性能,而且也使生产工艺发生根本的变革,因此也将相应地出现对液态、半固态挤压模具及粉末锻模的大量需求。

多功能复合模具将得到进一步发展,级进组合冲压模具已在美国汽车工业中普遍应用,主要用于加工转子、定子板或者插接件,其优点是生产率高、模具成本低和消减了板料剪切工序。当前集成电路引线框架的生产已经使用具有20~30个工位的级进模,工位数量最多的已经达到160个。这种模具在生产铁芯叠片中得到应用,可以实现自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁芯扭斜和安全保护。这种多功能复合模具生产出来的不再是单个零件,而好似成批的组件,可大大缩短产品的生产及装配周期。

冲压行业未来的发展离不开数字化应用,而行业需要的各类软件将受到欢迎,客户移动端信息管理软件、三维造型设计软件、CAE软件均为国外产品。从安全层面上看,需要国内软件企业在该领域进行开发。

提高行业人员素质这是一项迫在眉睫的任务,又是一项长期而系统的工作。振兴我国冲压行业需要大批高水平的科技人才,大批熟悉国内外市场、具有现代管理知识和能力的企业家,大批掌握先进技术、工艺的高级技能人才,要舍得花大力气,有计划和分层次地培养。

冲压行业未来需要的人才主要包括:高端企业管理人才,高端项目管理人才,热成形整线集成人才,热成形模具设计、制造、调试人才,高端覆盖件调试人才,压机自动化管理人才,新技术研发人员等。需要材料科学、成形工艺、机械、电气、自动化控制和计算机和软件编程等专业人才的合作,可以在重大项目的立项和实施过程中,从现有的专业技术人员中选拨培养,并结合项目的实施,行业办学和专业教育相结合进行。

这些人才需要靠企业、协会、相关高校研究院所联合培养。国家和社会力量办学,企业提供实习机会并享有优先挑选学员的培养方式,是不错的选择。国家或行业协会建立行业人才库,并且定期组织高端人才论坛,参与国家相关技术标准制定,参与国家或行业重大政策的制定,也可以起到培养人才的作用。

企业好不好很大程度上取决于管理的好坏,五金冲压厂必须全面实行5S管理,这是能够实现高质量冲压件生产的关键所在之一。冲压管理要全面引入ERP系统和大数据管理系统,这对企业管理水平的提升具有重要的意义。

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五、政策建议

制订切实可行的产业税收扶持政策,应推广增值税先征后返优惠政策,逐步减少直接投资性的国家扶持和支持项目。可以实行择优扶强,也可以对高新技术企业(如新钢材研发,新模具材料研发,新的涂层技术,热成形模具新技术)在开发阶段执行该政策。还可以对产学研科研项目推广单位或应用单位执行这一政策。

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